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论文写作分析-等离子体改性纤维增强单板层积材的研究

2021-06-25 15:45:35
作者:杭州千明

论文方式解析-等离子体改性纤维增强单板层积材的研究

  木质资源的综合高效利用一直以来都是木材科学与技术研究领域的热点,引起了广泛的关注。针对人工速生木材普遍存在的材质松软、力学强度低以及变异性大等问题,为了提高速生木材高价值的利用以及拓展其在结构承载构件领域的广泛应用,本研究以速生杨木为研究对象,选取两种类型纤维材料,玻璃纤维(glass fiber,GF)和碳纤维(carbon fiber,CF)作为增强单元,通过采用常压介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)等离子体以及常压射流冷(atmospheric pressure plasma jet,APPJ)等离子体分别对纤维增强材料进行表面改性处理,旨在改善纤维表面胶合特性从而使其能够用于制备高性能纤维增强杨木单板层积材(laminated veneer lumber,LVL),并探索将之应用于承载异型层积材木构件。本论文主要研究纤维增强材料等离子体改性工艺及其与木质单板的复合工艺以及纤维增强LVL高频快速胶合工艺,分析探讨等离子体改性工艺及胶合工艺对纤维增强LVL力学性能的影响,阐明等离子体改性纤维与木质单板胶合机理,以获得工艺合理、性能优良的纤维增强LVL产品,并探索将之应用于制造承载异型层积材木构件的可行性。

  本论文以杨木单板为原料,选用热固性酚醛树脂为胶黏剂,采用等离子体技术分别对GF和CF进行表面改性处理,旨在获得纤维与杨木单板之间优异的界面胶合性能,以此获得具有良好力学性能的纤维增强杨木LVL,并探究将其应用于制造异型层积材木构件。主要结论如下:

  (1)采用DBD等离子体和APPJ等离子体分别处理GF和CF,并分别与木质单板胶合。结果显示:等离子体改性处理纤维表面出现明显刻蚀表面粗糙度增大,同时通过氧化反应在纤维表面引入含氧官能团(?C=O和O?C=O)显著提高了纤维表面极性以及总的表面能,从而显著降低水在纤维表面的接触角,大大提高了纤维表面浸润性。采用最佳DBD等离子体功率(4.5 kW)处理GF,纤维表面O含量显著增加10.19%,O/C比增加0.21,总的表面能从51.73 J·m-2增加至61.38 J·m-2,水在纤维表面的接触角从54.03°降低至34.58,GF与木质单板胶合强度从0.23 MPa增加至1.13 MPa;采用最佳APPJ等离子体功率(6 kW)处理CF,纤维表面O含量显著增加6.22%,O/C比增加0.13,总的表面能从43.6 J·m-2增加至63.14 J·m-2,水在纤维表面的接触角从66.4°降低至34.6°,CF与木质单板胶合强度从0.56 MPa增加至0.84 MPa。

  (2)接触热压等离子体改性纤维增强杨木LVL,研究施胶量,组坯方式以及热压工艺对其力学性能的影响。结果表明:采用最佳施胶量140 g/m2,次外层组坯,30 min热压时间以及130℃热压温度,GF增强杨木LVL水平剪切强度最大达到12.67 MPa,(最大静曲强度)MORmax和(最大弹性模量)MOEmax分别为114 MPa和16102 MPa;采用最佳施胶量120 g/m2,次外层组坯,25 min热压时间以及130℃热压温度,CF增强杨木LVL水平剪切强度最大为12.67 MPa,MORmax和MOEmax分别为102.1 MPa和15519.72 MPa。

  (3)高频热压等离子体改性GF增强杨木LVL力学性能研究结果表明:GF增强杨木LVL的MOR和MOE并不会随着施胶量的增加而增大,施胶量120 g/m2 GF增强杨木LVL的MORmax和MOEmax分别达到163.99 MPa和23010.33 MPa。相比较于接触热压方式,采用高频热压大大缩短了热压时间,其热压时间仅为接触热压时间的1/10。

  (4)将具有优异力学强度的等离子体改性纤维增强速生材LVL应用于异型层积材木构件承载弯曲部件,并通过有限单元法对弯曲部件实现结构优化设计。结果表明:等离子体改性GF增强“U”椅椅腿最大应力达到58.1 MPa,远高于杨木LVL力学要求,能够满足“U”型椅框架的使用尺寸要求,等离子体改性纤维对“U”椅椅腿弯曲部位起到了明显的增强效果,此外木材节材率达到16.7%。

  木质资源的综合高效利用一直以来都是木材科学与技术研究领域的热点,引起了广泛的关注。针对人工速生木材普遍存在的材质松软、力学强度低以及变异性大等问题,为了提高速生木材高价值的利用以及拓展其在结构承载构件领域的广泛应用,本研究以速生杨木为研究对象,选取两种类型纤维材料,玻璃纤维(glass fiber,GF)和碳纤维(carbon fiber,CF)作为增强单元,通过采用常压介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)等离子体以及常压射流冷(atmospheric pressure plasma jet,APPJ)等离子体分别对纤维增强材料进行表面改性处理,旨在改善纤维表面胶合特性从而使其能够用于制备高性能纤维增强杨木单板层积材(laminated veneer lumber,LVL),并探索将之应用于承载异型层积材木构件。本论文主要研究纤维增强材料等离子体改性工艺及其与木质单板的复合工艺以及纤维增强LVL高频快速胶合工艺,分析探讨等离子体改性工艺及胶合工艺对纤维增强LVL力学性能的影响,阐明等离子体改性纤维与木质单板胶合机理,以获得工艺合理、性能优良的纤维增强LVL产品,并探索将之应用于制造承载异型层积材木构件的可行性。

  本论文以杨木单板为原料,选用热固性酚醛树脂为胶黏剂,采用等离子体技术分别对GF和CF进行表面改性处理,旨在获得纤维与杨木单板之间优异的界面胶合性能,以此获得具有良好力学性能的纤维增强杨木LVL,并探究将其应用于制造异型层积材木构件。主要结论如下:

  (1)采用DBD等离子体和APPJ等离子体分别处理GF和CF,并分别与木质单板胶合。结果显示:等离子体改性处理纤维表面出现明显刻蚀表面粗糙度增大,同时通过氧化反应在纤维表面引入含氧官能团(?C=O和O?C=O)显著提高了纤维表面极性以及总的表面能,从而显著降低水在纤维表面的接触角,大大提高了纤维表面浸润性。采用最佳DBD等离子体功率(4.5 kW)处理GF,纤维表面O含量显著增加10.19%,O/C比增加0.21,总的表面能从51.73 J·m-2增加至61.38 J·m-2,水在纤维表面的接触角从54.03°降低至34.58,GF与木质单板胶合强度从0.23 MPa增加至1.13 MPa;采用最佳APPJ等离子体功率(6 kW)处理CF,纤维表面O含量显著增加6.22%,O/C比增加0.13,总的表面能从43.6 J·m-2增加至63.14 J·m-2,水在纤维表面的接触角从66.4°降低至34.6°,CF与木质单板胶合强度从0.56 MPa增加至0.84 MPa。

  (2)接触热压等离子体改性纤维增强杨木LVL,研究施胶量,组坯方式以及热压工艺对其力学性能的影响。结果表明:采用最佳施胶量140 g/m2,次外层组坯,30 min热压时间以及130℃热压温度,GF增强杨木LVL水平剪切强度最大达到12.67 MPa,(最大静曲强度)MORmax和(最大弹性模量)MOEmax分别为114 MPa和16102 MPa;采用最佳施胶量120 g/m2,次外层组坯,25 min热压时间以及130℃热压温度,CF增强杨木LVL水平剪切强度最大为12.67 MPa,MORmax和MOEmax分别为102.1 MPa和15519.72 MPa。

  (3)高频热压等离子体改性GF增强杨木LVL力学性能研究结果表明:GF增强杨木LVL的MOR和MOE并不会随着施胶量的增加而增大,施胶量120 g/m2 GF增强杨木LVL的MORmax和MOEmax分别达到163.99 MPa和23010.33 MPa。相比较于接触热压方式,采用高频热压大大缩短了热压时间,其热压时间仅为接触热压时间的1/10。

  (4)将具有优异力学强度的等离子体改性纤维增强速生材LVL应用于异型层积材木构件承载弯曲部件,并通过有限单元法对弯曲部件实现结构优化设计。结果表明:等离子体改性GF增强“U”椅椅腿最大应力达到58.1 MPa,远高于杨木LVL力学要求,能够满足“U”型椅框架的使用尺寸要求,等离子体改性纤维对“U”椅椅腿弯曲部位起到了明显的增强效果,此外木材节材率达到16.7%。